半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路

半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第1頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1.1半導(dǎo)體材料

其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。常用的半導(dǎo)體材料有：元素半導(dǎo)體，如硅（Si）、鍺（Ge）等；化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵（GaAs）等。以及摻雜或制成其它化合物半導(dǎo)體的材料。半導(dǎo)體具有某些特殊性質(zhì)：如壓敏熱敏及摻雜特性，導(dǎo)電能力改變。2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第2頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1.2本征半導(dǎo)體，空穴及其導(dǎo)電作用1.本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第3頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第4頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第5頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。

形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第6頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。（1）載流子、自由電子和空穴第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第7頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第8頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第9頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第10頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

（1）N型半導(dǎo)體在本征Si和Ge中摻入微量V族元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。所摻入V族元素稱(chēng)為施主雜質(zhì)，簡(jiǎn)稱(chēng)施主（能供給自由電子）。

雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中人為摻入某種“雜質(zhì)”元素形成的半導(dǎo)體。分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第11頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

（2）P型半導(dǎo)體：在本征Si和Ge中摻入微量Ⅲ族元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。所摻入Ⅲ族元素稱(chēng)為受主雜質(zhì)，簡(jiǎn)稱(chēng)受主（能供給自由電子）。下圖所示（圖2-2）

P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子。

第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第12頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三少量摻雜，平衡狀態(tài)下：ni2=n0·p0

其中，ni

為本征濃度，n0

為自由電子濃度，p0

為空穴濃度溫度增加，本征激發(fā)加劇，但本征激發(fā)產(chǎn)生的多子遠(yuǎn)小雜質(zhì)電離產(chǎn)生的多子?！锇雽?dǎo)體工作機(jī)理：雜質(zhì)是電特性?！颯i半導(dǎo)體比Ge半導(dǎo)體有更高的溫度。因?yàn)橥瑴囟葧r(shí)，Si半導(dǎo)體比Ge半導(dǎo)體本征激發(fā)弱，更高的溫度Si半導(dǎo)體才會(huì)失去雜質(zhì)導(dǎo)電特性。（3）雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度：第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第13頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2PN結(jié)的形成及特性★PN結(jié)：將P型和N型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個(gè)極薄的特殊區(qū)域，稱(chēng)為PN結(jié)。▼內(nèi)建電場(chǎng)：由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)E。阻止兩區(qū)多子的擴(kuò)散。電場(chǎng)E產(chǎn)生的兩區(qū)少子越結(jié)漂移電流將部分抵消因濃度差產(chǎn)生的使兩區(qū)多子越結(jié)的擴(kuò)散電流。擴(kuò)散進(jìn)一步進(jìn)行，空間電荷區(qū)內(nèi)的暴露離子數(shù)增多，電場(chǎng)E增強(qiáng)，漂移電流增大，當(dāng)擴(kuò)散電流=漂移電流時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，形成PN結(jié)。無(wú)凈電流流過(guò)PN結(jié)。2.2.1PN結(jié)的形成第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第14頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第15頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三PN結(jié)形成過(guò)程分解：第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第16頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

無(wú)外接電壓的PN結(jié)→開(kāi)路PN結(jié)，平衡狀態(tài)PN結(jié)

PN結(jié)外加電壓時(shí)→外電路產(chǎn)生電流

1.正向偏置（簡(jiǎn)稱(chēng)正偏）PN結(jié)

PN結(jié)外加直流電壓V：P區(qū)接高電位（正電位），N區(qū)接低電位（負(fù)電位）→正偏→正向電流第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第17頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三PN結(jié)加正向電壓的情形第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第18頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第19頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三－－－－++++REPN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第20頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.反向偏置（簡(jiǎn)稱(chēng)反偏）

PN結(jié)反偏：P區(qū)接低電位（負(fù)電位），N區(qū)接高電位（正電位）。＊硅PN結(jié)的Is

為pA級(jí)＊溫度T增大→Is第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第21頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

PN結(jié)反向偏置NP+RE－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)變厚_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。外電場(chǎng)第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第22頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.PN結(jié)的伏安特性（1）PN結(jié)的伏安特性曲線第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第23頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）PN結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓U與流過(guò)它的電流I的關(guān)系為：其中Is為反向飽和電流，UT為kt/q，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電子的電量，常溫下，T＝300K時(shí)，UT可取26mv對(duì)于二極管其動(dòng)態(tài)電阻為：第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第24頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

二極管處于反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過(guò)PN結(jié)的電流很小，但電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱(chēng)為反向擊穿。

擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。

齊納擊穿：高摻雜情況下，耗盡層很窄，宜于形成強(qiáng)電場(chǎng)，而破壞共價(jià)鍵，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛形成電子－空穴對(duì)，致使電流急劇增加。

*擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。2.2.3PN結(jié)的反向擊穿

第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第25頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三雪崩擊穿：如果攙雜濃度較低，不會(huì)形成齊納擊穿，而當(dāng)反向電壓較高時(shí)，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價(jià)鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)。

對(duì)于硅材料的PN結(jié)來(lái)說(shuō)，擊穿電壓〉7v時(shí)為雪崩擊穿，<4v時(shí)為齊納擊穿。在4v與7v之間，兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，我們?cè)谑褂脮r(shí)要避免。

第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第26頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管的幾種常見(jiàn)外形第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第27頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號(hào)：第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第28頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.3.2伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第29頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3.主要參數(shù)1.最大整流電流

IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第30頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.反向電流

IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第31頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuD

rD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第32頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢(shì)壘電容：勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第33頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三擴(kuò)散電容：為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。P+-N第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第34頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，由于載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第35頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4二極管基本電路

及其分析方法

二極管是一種非線性器件，因而二極管一般要采用非線性電路的分析方法。在此主要介紹模型分析法。

簡(jiǎn)單的模型便于近似估算，較復(fù)雜的模型為借助計(jì)算機(jī)解題提供基礎(chǔ)。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第36頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4.1二極管正向伏安特性的建模1.理想模型如圖所示，在正向偏置時(shí)，其管壓降為0V，而當(dāng)二極管處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的電阻為無(wú)窮大，電流為零。在實(shí)際電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，利用此法來(lái)近似分析。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第37頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.恒壓降模型如圖所示，當(dāng)二極管處于正向偏置時(shí)，其管壓降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而改變，典型值為0.7V。不過(guò)，這只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時(shí)才是正確的。該模型提供了合理的近似，因此，應(yīng)用也較廣。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第38頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為了較真實(shí)地描述二極管的伏安特性，在恒壓降模型的基礎(chǔ)上，作一定地修正，即二極管的壓降，隨電流的增加而增加，可以用一個(gè)電源和內(nèi)阻rD來(lái)近似。3.折線模型第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第39頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.小信號(hào)模型由右圖可看出未變電阻rD可直接得出，即我們知道，二極管的伏安特性表達(dá)式第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第40頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三我們可以得出下式：即rD=UT/ID第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第41頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.5特殊二極管2.5.1穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管又稱(chēng)齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管；這種管子的雜質(zhì)濃度比較大，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷密度也大，因而該區(qū)域很窄，容易形成強(qiáng)電場(chǎng)。當(dāng)反向電壓加到某一定值時(shí)，反向電流急增，產(chǎn)生反向擊穿。第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第42頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）（3）動(dòng)態(tài)電阻第二章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路第43頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):負(fù)載電阻